Суперизолятор
 | Судя по всему, основной автор этой статьи тесно связан с ее предметом. ( январь 2021 г. ) |
Суперизолятор — это материал, который при низких , но конечных температурах не проводит электричество, т. е. имеет бесконечное сопротивление, поэтому через него не проходит электрический ток. [1] Явление сверхизоляции можно рассматривать как точный аналог сверхпроводимости .
Суперизоляционное состояние можно разрушить путем повышения температуры и приложения внешнего магнитного поля и напряжения. Суперизолятор был впервые предсказан М. К. Диамантини, П. Содано и К. А. Тругенбергером в 1996 году. [2] который обнаружил суперизолирующее основное состояние, двойственное сверхпроводимости, возникающее на изолирующей стороне перехода сверхпроводник-изолятор в массиве джозефсоновских переходов из-за электромагнитной двойственности. Суперизоляторы были независимо переоткрыты Т. Батуриной и В. Винокуром в 2008 г. [3] на основе двойственности между двумя различными реализациями симметрии принципа неопределенности и экспериментально обнаруженной в пленках нитрида титана (TiN). Измерения 2008 года выявили гигантские скачки сопротивления, интерпретируемые как проявления порогового перехода напряжения в суперизоляционное состояние, которое было идентифицировано как низкотемпературная удерживаемая фаза, возникающая ниже зарядового перехода Березинского-Костерлица-Таулеса . Эти скачки были аналогичны ранее обнаруженным скачкам сопротивления в пленках оксида индия (InO). [4] при конечной температуре Фазовый переход в суперизолирующее состояние был окончательно подтвержден Мироновым и др. в фильмах NbTiN в 2018 году. [5]
Другие исследователи наблюдали подобное явление в неупорядоченных пленках оксида индия . [6]
Механизм
[ редактировать ]И сверхпроводимость проводимости , и суперизоляция основаны на спаривании электронов в куперовские пары . В сверхпроводниках все пары движутся согласованно, что позволяет проходить электрическому току без сопротивления. В суперизоляторах как куперовские пары, так и нормальные возбуждения удерживаются и электрический ток течь не может. Механизмом суперизоляции является распространение магнитных монополей при низких температурах. [7] В двух измерениях (2D) магнитные монополи представляют собой события квантового туннелирования ( инстантоны ), которые часто называют монопольной «плазмой». В трёх измерениях (3D) монополи образуют бозе-конденсат . Монопольная плазма или монопольный конденсат сжимают линии электрического поля Фарадея в тонкие нити электрического потока или струны, двойственные вихрям Абрикосова в сверхпроводниках. Куперовские пары противоположных зарядов на концах этих электрических струн ощущают притягивающий линейный потенциал. Когда соответствующее натяжение струны велико, энергетически выгодно вырвать из вакуума множество пар заряд-антизаряд и образовать множество коротких струн, а не продолжать растягивать исходную. Как следствие, в асимптотических состояниях существуют только нейтральные «электрические пионы », а электропроводность отсутствует. Этот механизм представляет собой одноцветную версию механизма конфайнмента , связывающего кварки в адроны . Поскольку электрические силы намного слабее, чем сильные силы физики элементарных частиц, типичный размер «электрических сил» пионы » значительно превышает размеры соответствующих элементарных частиц. Это означает, что, готовя образцы достаточно малого размера, можно заглянуть внутрь «электрического пиона », где электрические струны свободны, а кулоновские взаимодействия экранированы, следовательно, электрические заряды эффективно несвязаны и движутся, как если бы они находились в металле. Низкотемпературное насыщение сопротивления металлическому поведению наблюдалось в пленках TiN с малыми поперечными размерами.
Будущие приложения
[ редактировать ]Суперизоляторы потенциально могут быть использованы в качестве платформы для высокопроизводительных датчиков и логических устройств. В сочетании со сверхпроводниками суперизоляторы можно использовать для создания переключающих электрических цепей без потерь энергии в виде тепла. [8]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Миронов А.; Диамантини, MC; Тругенбергер, Калифорния; Винокур В.М. (19.11.2022). «Релаксационная электродинамика суперизоляторов» . Научные отчеты . 12 (1): 19918. arXiv : 2207.00791 . Бибкод : 2022NatSR..1219918M . дои : 10.1038/s41598-022-24460-7 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 9675743 . ПМИД 36402824 . S2CID 250264815 .
- ^ Диамантини, MC; Содано, П.; Тругенбергер, Калифорния (1996). «Калибровочные теории решеток джозефсоновских переходов» . Ядерная физика Б . 474 (3): 641–677. arXiv : hep-th/9511168 . Бибкод : 1996НуФБ.474..641Д . дои : 10.1016/0550-3213(96)00309-4 . S2CID 16002482 .
- ^ Vinokur, Valerii M.; Baturina, Tatyana I.; Fistul, Mikhail V.; Mironov, Aleksey Yu.; Baklanov, Mikhail R.; Strunk, Christoph (2008). "Superinsulator and quantum synchronization" . Nature . 452 (7187): 613–615. Bibcode : 2008Natur.452..613V . doi : 10.1038/nature06837 . ISSN 0028-0836 . PMID 18385735 . S2CID 205212720 .
- ^ Самбандамурти, Г.; Энгель, Л.В.; Йоханссон, А.; Пелед, Э.; Шахар, Д. (2005). «Экспериментальное подтверждение коллективного изолирующего состояния в двумерных сверхпроводниках» . Письма о физических отзывах . 94 (1): 017003. arXiv : cond-mat/0403480 . Бибкод : 2005PhRvL..94a7003S . doi : 10.1103/PhysRevLett.94.017003 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 15698122 . S2CID 26180507 .
- ^ Миронов Алексей Юрьевич; Силевич, Дэниел М.; Прослиер, Томас; Постолова Светлана В.; Бурдастых Мария Викторовна; Гутаковский Антон К.; Розенбаум, Томас Ф.; Винокур Валерий Владимирович; Батурина, Татьяна И. (2018). «Зарядовый переход Березинского-Костерлица-Таулесса в сверхпроводящих пленках NbTiN» . Научные отчеты . 8 (1): 4082. arXiv : 1707.09679 . Бибкод : 2018НатСР...8.4082М . дои : 10.1038/s41598-018-22451-1 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 5840303 . ПМИД 29511317 .
- ^ Овадия, М.; Сасепе, Б.; Шахар, Д. (2009). «Электронно-фононная развязка в неупорядоченных изоляторах». Письма о физических отзывах . 102 (17): 176802. Бибкод : 2009PhRvL.102q6802O . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.176802 . ПМИД 19518807 .
- ^ Диамантини, MC; Тругенбергер, Калифорния; Винокур, В.М. (2018). «Конфайнмент и асимптотическая свобода с куперовскими парами» . Физика связи . 1 (1): 77. arXiv : 1807.01984 . Бибкод : 2018CmPhy...1...77D . дои : 10.1038/s42005-018-0073-9 . ISSN 2399-3650 .
- ^ «Недавно открытые «суперизоляторы» обещают изменить исследования материалов и дизайн электроники» . Физорг.com . 7 апреля 2008 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Винокур Валерий Михайлович; Батурина Татьяна И.; Фистул Михаил Владимирович; Миронов, Алексей Ю.; Бакланов Михаил Р.; Странк, Кристоф (2008). «Суперизолятор и квантовая синхронизация» . Природа . 452 (7187). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 613–615. Бибкод : 2008Natur.452..613V . дои : 10.1038/nature06837 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 18385735 . S2CID 205212720 .
- Леви Беккерсон (10 апреля 2008 г.). «Суперизолятор, наблюдаемое новое состояние материи» . ДейлиТех . Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года.
- Аргоннская национальная лаборатория (4 апреля 2008 г.). «Недавно открытые «суперизоляторы» обещают изменить исследования материалов и дизайн электроники» . Аргоннская национальная лаборатория . Проверено 31 мая 2019 г.
- Аргоннская национальная лаборатория (9 апреля 2008 г.). «Было создано недавно открытое фундаментальное состояние материи — суперизолятор» . Новости науки . Проверено 31 мая 2019 г.
- Джон Картрайт (2 апреля 2008 г.). «Физики открыли «суперизолятор» » . Физический мир . Архивировано из оригинала 3 октября 2008 года . Проверено 31 мая 2019 г.
- Сасвато Р. Дас (26 февраля 2010 г.). «Ученые разгадали тайну суперизоляторов» . IEEE-спектр . Проверено 31 мая 2019 г.